流变仪在高分子物理实验教学中的应用

疏瑞文

(安徽理工大学化学工程学院，安徽　淮南　232001)



流变仪在高分子物理实验教学中的应用

疏瑞文

(安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001)

将流变仪应用于高分子物理实验教学，可以使学生加深对高分子物理理论课中聚合物粘弹性与流变性能的理解。简要介绍了旋转流变仪的基本原理和主要检测功能，并通过一些实例阐述了旋转流变仪在高分子物理实验教学中的具体应用。该实验的设置可以使学生通过实验巩固高分子物理知识，分析流变实验中体现的具体的高分子物理问题，更好地理解与掌握高分子科学的基本理论。

流变仪；高分子物理实验；教学应用

高分子物理是高分子材料相关专业的本科必修专业基础课，主要研究聚合物的结构-性能-分子运动之间的关系[1]。通过开设高分子物理实验，一方面可以使学生增加感性认识，加深对课堂理论知识的理解，另一方面可以使学生掌握聚合物结构和性能测定的基本方法，培养学生的实验技能。

聚合物流变性能测试是观察高分子材料内部结构的窗口，不仅可以认识聚合物的结构与性能的关系，还能简便高效地进行高分子材料的质量检测和质量控制，从而对其加工成型过程提供理论指导[2]。旋转流变仪是研究高分子材料流变性能最重要的流变学测试系统，它不仅可以测量聚合物流体的粘度，还能在较宽的频率、温度范围内研究聚合物的动态粘弹性，从而揭示聚合物体系内在的结构-性能-分子运动之间的关系[2]。为了激发学生对高分子物理理论课程和实验教学的学习积极性，安徽理工大学化学工程学院应用化学专业从2011年秋季学期开始，将旋转流变仪应用于本科高分子物理实验教学，让学生接触本学科的先进实验仪器，加深对高分子物理理论课中聚合物粘弹性与流变性能章节的理解。

1　旋转流变仪的功能简介

旋转流变仪依靠旋转运动来产生简单剪切流动，可以快速表征材料的粘弹性能，比如粘度(η)、 储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanδ)等。应用化学专业高分子物理实验所用流变仪为美国TA仪器公司生产的AR-G2应力控制型旋转流变仪，如图1所示。AR-G2流变仪的测试夹具可以是平行板、锥板和同轴圆筒，测试模式有稳态模式、瞬态模式和动态模式，测试方法包括动态频率扫描、时间扫描、温度扫描、应变扫描、蠕变及应力松弛等。旋转流变仪目前广泛用于表征聚合物体系的力学松弛和流变性能。例如，通过动态频率扫描，可以表征不同高分子材料的力学响应和结构松弛行为；通过动态温度扫描，观察G′的突变和tanδ随温度变化曲线的转变峰，可以获得有关聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)。此外，通过在AR-G2流变仪上装配相关的附件(显微镜、剪切池、光散射等)，还可以获得额外的信息，从而拓展流变仪的应用领域。

图1　AR-G2应力控制型流变仪

2　旋转流变仪在高分子物理实验教学中的应用

2.1聚合物溶液的缠结浓度的测定

当高分子以分子状态分散在溶剂中所形成均相体系称为高分子溶液，目前广泛应用于涂料、粘合剂和纤维纺丝等领域。聚合物在水溶液中的构象随着溶液浓度的改变而发生变化。当聚合物浓度很低时，聚合物以“链段云”的形态无规分布在溶液，呈无规线团构象，分子间无相互作用，溶液粘度低；增加聚合物的浓度到某一临界值，“链段云”开始接触，此时的临界浓度为临界交叠浓度(c*)，聚合物溶液进入亚浓溶液区；进一步增加聚合物浓度，聚合物分子链间发生缠结、交联，称为聚合物浓溶液，此时的浓度定义为缠结浓度(ce)[2]。高分子材料的加工对象主要涉及聚合物溶液和熔体，因此，对聚合物溶液的临界浓度参数c*、ce的研究不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。

通过流变实验，借助乌氏粘度计和旋转流变仪，可以测定一系列不同浓度的聚合物溶液的增比粘度(ηsp)，并绘制ηsp-c曲线，通过曲线拟合和标度率确定c*和ce的值。Qiao等[3]研究了明胶水溶液的粘度随浓度的变化关系，发现添加无机盐NaCl后，明胶溶液的c*和ce均有一定程度的降低。

2.2粒子填充聚合物复合体系流变性能的测定

为了提高聚合物基体的力学性能和耐热性，填充复合改性(在聚合物基体中填充无机纳米粒子)是一种有效的方法。通过动态流变性能的测定，可以研究填充无机粒子的体积分数、形状对复合体系的弹性、力学松弛时间和玻璃化转变温度等的影响。笔者带着学生通过平板硫化机制备了一系列不同SiO2粒子含量的聚丙烯(PP)试样，研究了复合体系在熔融温度下的流变性能。结果发现，松弛时间(τ)(定义为G′=G″时对应的角频率的倒数)随粒子填充含量的增加而增大，表明填充的无机纳米粒子与聚合物分子链间存在相互作用，阻碍了分子链的运动，从而使得松弛时间增大。通过该实验，学生掌握了平板硫化机制备圆片试样的方法，认识无机粒子对聚合物基体的填充增强效应，为聚合物材料的复合改性打下了一定的基础。

2.3聚合物-胶体悬浮液的聚集稳定性表征

2.4物理凝胶化的流变表征

聚合物水凝胶是一类能迅速吸收并保持大量水分而又不溶于水的三维网络结构材料，目前广泛在药物控释、细胞培养和废水处理等领域。聚合物的溶液-凝胶转变，即凝胶化的研究对认识聚合物水凝胶的优异性能的微观来源和制备过程均具有重要的指导意义。戴琳等[6]通过动态频率扫描跟踪了不同浓度的结冷胶水溶液的物理凝胶化转变过程，并进一步借助Winter判据确定凝胶化点(Tgel)，利用逾渗模型(percolation model)获得临界凝胶的松弛临界指数(n)和分形维数(df)。结果发现，随着结冷胶浓度cg增大，Tgel升高，n值降低，表明结冷胶的凝胶化过程不具有普适性的临界指数。该实验可以让学生充分掌握聚合物溶液的凝胶化转变的理论知识，有助于学生深刻认识聚合物的浓度对其微观结构的影响规律。

3　结　语

将“粒子填充聚合物熔体流变实验” 引入高分子物理的实验教学过程中，可以使学生了解旋转流变仪的基本原理和操作步骤，掌握了数据处理求解松弛时间的方法，从而关联聚合物结构-性能的高分子物理问题。教学实践表明，开设该项实验有助于学生对高分子物理相关章节的理论课的学习和理解，教学效果良好。

[1]华幼卿, 金日光. 高分子物理. 4版[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013: 137-139.

[2]周持兴. 聚合物流变实验与应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2003: 1-7.

[3]Qiao C, Chen G, Li Y, et al. Viscosity properties of gelatin in solutions of monovalent and divalent Salts[J]. Korea-Australia Rheology Journal, 2013, 25 (4): 227-231.

[4]章莉娟, 郑忠. 胶体与界面化学. 2版[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2006: 140-142.

[5]Shu R, Yin Q, Xing H, et al. Colloidal and rheological behavior of aqueous graphene oxide dispersions in the presence of poly (ethylene glycol)[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2016, 488: 154-161.

[6]戴琳. 结冷胶水溶液凝胶化的临界行为及临界凝胶结构[D]. 广州:华南理工大学, 2009.

Application of Rheometer in Polymer Physics Experiments Teaching

SHU Rui-wen

(School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Anhui Huainan 232001, China)

Rheometer was used in the polymer physics experiment teaching, which could make the students deeply understood polymer viscoelasticity and rheological properties of polymer physics course. The basic principle and the main detection function ware briefly introduced, and the concrete application of the rotational rheometer in Polymer Physics experiment teaching was elaborated through some examples. The setting of the experiment could help the students to consolidate the knowledge of polymer physics and analyze the specific polymer physical problems in the rheological experiments, could contribute to better understand and master the basic theory of polymer science.

rheometer; Polymer Physics experiments; teaching application

疏瑞文(1987-)，男，博士，讲师，主要从事功能高分子材料的开发和应用。

G643

A

1001-9677(2016)014-0229-02